Изначально заказ на торпедоносец планировали отдать англичанам, но те попросили за свою работу полмиллиона рублей в валюте и готовы были построить самолет лишь за полтора года. Заказчика, Особое техническое бюро по военным изобретениям, такие условия не устраивали, и техническое задание передали в недавно созданный Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), одним из подразделений которого руководил в то время молодой инженер Андрей Туполев. Будущий легендарный конструктор пообещал "родить" новую машину за девять месяцев.

Для создания опытного образца самолета, получившего рабочее название АНТ-4, требовался новый прочный легкий металлический сплав на основе алюминия, похожий по своим характеристикам на дюралюминий, который использовали инженеры германской фирмы "Юнкерс" в Junkers J7. В Советском Союзе был трофейный экземпляр такой машины. Его разобрали на части и изучили состав металла, из которого он был произведен. К середине 1922 года инженерам-металлургам Кольчугинского завода по обработке цветных металлов удалось получить сплав с необходимыми свойствами. Его назвали кольчугалюминием в честь города Кольчугино.

Будущий бомбардировщик проектировали и собирали в обычном доме на Вознесенской улице, ныне улица Радио, в Москве. На первом этаже установили оборудование, на втором - собирали крупные узлы. Работа шла медленно, потому что Андрею Туполеву часто не хватало квалифицированных рабочих. Когда первый летный экземпляр был готов к транспортировке на аэродром для финальной доводки, авиаторам пришлось сломать стену, чтобы вытащить его из здания.

Первый полет новой машины состоялся 26 ноября 1925 года и длился всего семь минут. С началом заводских испытаний конструкторы внесли в самолет ряд доработок, касавшихся работы двигателей и систем управления. Изменения позволили увеличить максимальную скорость бомбардировщика до 196,5 километра в час, он мог летать на высоте 400-500 метров с одним работающим двигателем, выросла бомбовая нагрузка. В июле 1926 года Аполлинарий Томашевский выполнил два полета на время, первый из них продолжался 4 часа 15 минут с нагрузкой в 1075 килограммов, второй - более 12 часов с 2045 килограммами груза на борту.

В феврале 1928 года построили дублер-эталон АНТ-4, который получил обозначение ТБ-1. На него установили более мощные двигатели BMW, три пулеметные турели, кассетный бомбодержатель, бомбосбрасыватель, фотооборудование и радиостанцию. Самолет мог нести 1000 килограммов бомб, его экипаж состоял из шести человек. Серийное производство первого в мире цельнометаллического бомбардировщика началось летом 1929 года на заводе №22 в Москве. Советские ВВС заказали сразу несколько сотен новых ТБ-1 для создания соединений тяжелых бомбардировщиков.

На базе ТБ-1 было создано множество модификаций, в том числе, экспериментальных. Две серийные машины со снятым вооружением подготовили для рекордного перелета по маршруту Москва - Нью-Йорк, через Дальний Восток и Тихий океан. Исторический полет начался 8 августа 1929 года, но первый самолет разбился под Читой. Его экипаж выжил, вернулся в Москву и уже 23 августа вновь поднялся в воздух. На борт воздушного судна нанесли тот же номер, что был у ТБ-1, экстренно приземлившегося в тайге. По пути из СССР в США в течение 137 летных часов бомбардировщик пролетел 21 242 километра, из которых 7 950 километров проходили над водой.

На самолет устанавливали поплавки и лыжи, отрабатывали на нем технику торпедометания и испытывали взлетные пороховые ускорители. ТБ-1 побывал и в роли авианосца. На его крылья устанавливали по два истребителя, которые на высоте около километра отцеплялись от бомбардировщика и продолжали самостоятельный полет. Это позволило вдвое увеличить радиус действия истребительной авиации. С 1933 по 1935 годы на тяжелом бомбардировщике отрабатывали технологию дозаправки в воздухе.

В 1938 году состоялся автоматический полет экспериментального телемеханического самолета, созданного на базе тяжелого бомбардировщика. Экипаж, поднявший машину в воздух, выпрыгнул из нее с парашютами, а дальнейший путь контролировался с другого самолета с помощью системы радиоуправления. Предполагалось, что таким образом можно будет создать радиоуправляемые самолеты-бомбы, направляемые на цель с расстояния в несколько километров.

ТБ-1, снятые с вооружения, переделывали в грузопассажирские самолеты и передавали их Аэрофлоту под обозначением Г-1.

Первый советский серийный цельнометаллический бомбардировщик ТБ-1 в различных модификациях и сферах применения эксплуатировался более 20 лет. Опыт, полученный во время его создания, лег в основу будущих тяжелых бомбардировщиков, в частности, одного из самых массовых довоенных самолетов подобного класса ТБ-3. Эксплуатация тяжелого бомбардировщика в качестве "летающего грузовика" стала начальным этапом развития отечественной военно-транспортной авиации.